Fale mechaniczne
W tej lekcji1/13
Rzuć kamień do jeziora i patrz na kaczkę siedzącą kawałek dalej. Kręgi na wodzie pędzą w jej stronę, docierają do niej... i kaczka tylko buja się w górę i w dół. Nie odpływa z falą ani o centymetr! Coś przebiegło po całym jeziorze, choć woda została na miejscu. To coś nazywamy falą — i dziś rozgryziemy, czym ona właściwie jest.
Fala, czyli zaburzenie w podróży
Fala to rozchodzące się zaburzenie. Zaburzenie znaczy tyle, że coś zostało wytrącone ze spokoju: powierzchnia wody się wybrzuszyła, sznur wygiął, powietrze zgęstniało. A rozchodzące się — że to wybrzuszenie nie stoi w miejscu, tylko biegnie dalej, do sąsiednich cząstek ośrodka.
A najważniejsze pytanie w całej lekcji brzmi: co ta wędrówka ze sobą zabiera, a czego nie.
Fala przenosi energię, ale nie przenosi materii
Wróćmy nad jezioro. Kamień oddał wodzie energię — i właśnie ta energia biegnie w kręgach po powierzchni. Ale sama woda nigdzie nie płynie: każda jej cząstka tylko buja się w górę i w dół wokół swojego miejsca, dokładnie jak ciało drgające z poprzednich lekcji. Dlatego kaczka kołysze się na fali, zamiast surfować na niej do brzegu.
Fala mechaniczna potrzebuje ośrodka
Fala z tej lekcji to fala mechaniczna — taka, która rozchodzi się w jakimś ośrodku, czyli w materii: w wodzie, w powietrzu, w napiętym sznurze, w skałach. Zaburzenie wędruje, bo cząstki ośrodka trącają swoich sąsiadów, ci następnych i tak dalej — jak przewracające się kostki domina, tylko że każda kostka zaraz wraca na miejsce.
W próżni fala mechaniczna nie ruszy z miejsca
Bez ośrodka nie ma kogo trącać, więc w próżni fala mechaniczna w ogóle się nie rozejdzie. Dlatego w kosmosie nie słychać wybuchów: dźwięk jest falą mechaniczną w powietrzu, a między gwiazdami powietrza nie ma. Filmowe wielkie bum w kosmosie to czysta wyobraźnia reżysera.
Źródłem każdej fali jest drganie
- 1
Skąd się bierze fala? Źródłem każdej fali jest drganie. Coś drga, a ośrodek roznosi to drganie dalej.
- 2
Kręgi na jeziorze biegną w wodzie, a drga to miejsce, w które wpadł kamień.
- 3
Fala na sznurze biegnie w sznurze, a drga ręka machająca jego końcem.
- 4
Dźwięk biegnie w powietrzu, a drga struna skrzypiec albo membrana głośnika.
- 5
Fala trzęsienia ziemi biegnie w skałach, a drgają pękające skały w głębi ziemi.
Wszystkie 5 kroków odsłonięte.
Klatka po klatce: kamień wpada do jeziora
- 1
Kamień uderza w powierzchnię i wgniata ją w dół. Woda w tym miejscu została wytrącona z równowagi — powstało zaburzenie i zaczyna się drganie.
- 2
Drgająca woda rozkołysuje wodę tuż obok. Sąsiednie cząstki zaczynają bujać się w górę i w dół — chwilę później niż te pierwsze.
- 3
Każdy rozkołysany kawałek wody buja kolejnych sąsiadów. Zaburzenie oddala się od miejsca uderzenia we wszystkie strony — widzimy rosnące kręgi.
- 4
Krąg dociera do korka pływającego opodal. Korek unosi się i opada, ale zostaje w swoim miejscu — fala przekazała mu energię, nie zabrała go ze sobą.
Wszystkie 4 kroków odsłonięte.
Fala od wrzuconego kamienia przebiegła po jeziorze 20 m i dotarła do pływającego korka. Ile metrów przepłynął korek razem z falą? Wpisz liczbę.
Pułapka! Fala wcale nie niesie wody
Najczęstsze błędne wyobrażenie w tym dziale: skoro fala biegnie po jeziorze, to znaczy, że płynie w niej woda. Nie płynie! Grzbiet fali przesuwa się do przodu, ale woda, z której ten grzbiet w danej chwili się składa, ciągle się wymienia — każda cząstka tylko buja się wokół swojego miejsca. Dowód masz na wyciągnięcie ręki: korek albo kaczka na fali kołyszą się w górę i w dół, zamiast odpływać z prądem grzbietów.
Przy brzegu jest inaczej — i to nie podważa zasady
Skąd w takim razie wrażenie, że morze wyrzuca coś na brzeg? Przy samym brzegu fala się załamuje i tam rzeczywiście woda zaczyna się przemieszczać — ale to już zupełnie inne, przybrzeżne zjawisko.
Na otwartej wodzie obowiązuje żelazna zasada: materia zostaje, energia podróżuje.
Meksykańska fala okrąża stadion
- 1
Najlepszym dowodem, że fala nie niesie materii, jest meksykańska fala na stadionie. Kibice kolejno wstają i siadają — i po trybunach pędzi wyraźna fala, która potrafi okrążyć cały stadion.
- 2
Grupa kibiców zrywa się z krzesełek i siada — to jest źródłowe drganie. Sąsiedzi widzą to i po chwili robią to samo. Zaburzenie rusza w drogę wzdłuż trybun.
- 3
Trybuny mają pełny obwód 400 m, a fala okrąża stadion w 40 s. Możemy policzyć, jak szybko biegnie zaburzenie.
- 4
Fala pędzi 10 metrów na sekundę — szybciej niż sprinter! A jaką drogę wzdłuż trybun pokonał w tym czasie pojedynczy kibic?
- 5
Nikt nie ruszył się ze swojego miejsca, każdy tylko wstał i usiadł, jak korek na wodzie. Ludzie to ośrodek tej fali, a to, co naprawdę okrążyło stadion, to zaburzenie niosące energię — tak samo jest z wodą, sznurem i powietrzem.
Wszystkie 5 kroków odsłonięte.
Astronauta pracuje na zewnątrz stacji kosmicznej. Kawałek dalej, w próżni, dochodzi do wybuchu starego zbiornika paliwa. Czy astronauta usłyszy huk?
Ściąga do zapamiętania
Czym jest fala mechaniczna i co przenosi?
FALA to rozchodzące się zaburzenie. Fala przenosi ENERGIĘ, ale NIE przenosi materii — korek czy kaczka na wodzie tylko bujają się w górę i w dół, nie płyną z falą. ŹRÓDŁEM każdej fali jest drganie. FALA MECHANICZNA potrzebuje OŚRODKA (materii): wody, powietrza, sznura, skał — cząstki ośrodka drgają wokół swoich miejsc i przekazują drganie sąsiadom. W PRÓŻNI fala mechaniczna się nie rozchodzi, dlatego w kosmosie nie słychać wybuchów. Przykłady: fala na wodzie i na sznurze, dźwięk, fala trzęsienia ziemi, meksykańska fala na stadionie — nikt nie zmienia miejsca, a fala okrąża stadion.
Sprawdź się!
Odpowiedziano na 0 z 5 pytańSkróty klawiszowe quizu: klawisze od 1 do 4 wybierają odpowiedź, Enter sprawdza, a po sprawdzeniu przechodzi do następnego pytania. Każdy przycisk możesz też wybrać Tabem i Spacją.
Co przenosi fala mechaniczna?
Dlaczego astronauta w otwartym kosmosie nie usłyszy wybuchu?
Kaczka pływa po jeziorze, gdy przechodzą pod nią kręgi fali od wrzuconego kamienia. Co robi kaczka?
Co jest źródłem każdej fali mechanicznej?
Meksykańska fala okrąża cały stadion w niecałą minutę. Dlaczego to zjawisko jest dobrym modelem fali mechanicznej?